【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ?? ??????? ??? 江蘇工業(yè)學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁(yè) ,共 58 頁(yè) 所以 12 條焊接接頭的長(zhǎng)度為： mmll 12 ?????? 赤道帶和極帶之間的兩條環(huán)焊接接頭的長(zhǎng)度為： mmRlcp os2921422c os22 13 ??????????? ??? 極帶共分七塊，極帶之間的兩條環(huán)焊接接頭的長(zhǎng)度為： ?????? 所以以上焊接接頭總長(zhǎng)合計(jì)為： 總結(jié) 從以上結(jié)果可以看出，橘瓣式球罐的焊接接頭長(zhǎng)度比混合式球罐的焊接接頭長(zhǎng) 度短，在加上橘瓣式球罐的加工簡(jiǎn)單、方便。所以本次設(shè)計(jì)采用橘瓣式結(jié)構(gòu)。 3 材料的選用 球罐的選材的基本原則 球罐是壓力容器的一種結(jié)構(gòu)型式，因而在選材的基本要求方面與壓力容器相同。球罐與其他壓力容器相比有其特殊性。首先，球罐容積較大，應(yīng)盡可能減少焊縫長(zhǎng)度，要求鋼板具有足夠的寬度、長(zhǎng)度和厚度；其次，球罐的安全性要求更高，一旦發(fā)生安全失效，影響和危害極大，要求材料要有更高的塑性和韌性?xún)?chǔ)備；第三，球罐是現(xiàn)場(chǎng)組焊、焊縫多、局部應(yīng)力高，對(duì)焊材的可焊性要求高。因?yàn)榍蚬薰逃械奶攸c(diǎn)，就必定會(huì)對(duì)材料提出特殊的要求， 球罐的選材主要應(yīng)考慮球罐的使用條件（如設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力、結(jié)構(gòu)特性等）、材料的焊接性能、球罐的制造工藝和組焊要求以及經(jīng)濟(jì)合理性。球罐用鋼應(yīng)是鎮(zhèn)靜鋼，決不允許用沸騰鋼。 鋼材的力學(xué)性能 強(qiáng)度級(jí)別 強(qiáng)度級(jí)別主要指材料的屈服點(diǎn) s? 及抗拉強(qiáng)度 b? 。目前，國(guó)際上有以屈服點(diǎn)作為材料級(jí)別的分類(lèi)依據(jù)，也有以抗拉強(qiáng)度作為材料級(jí)別的分類(lèi)依據(jù)，并且近年來(lái)以后者居多。如 62CF 、 2610U 、 F610 等。 （ 1） 抗拉強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度是材料的主要強(qiáng)度指標(biāo)之一，它是材料在拉伸受力過(guò)程中，從開(kāi)始加載至斷裂所能承受的最大應(yīng)力，是決定材料許用應(yīng)力的主要依據(jù)之一。 GB 228《金屬抗拉伸試驗(yàn)方法》中給出了抗拉強(qiáng)度的定義和試驗(yàn)方法。 （ 2） 屈服點(diǎn) 屈服點(diǎn)是指呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象的金屬材料，在所加外載荷不再增加（保持恒定），而材料仍繼續(xù)伸長(zhǎng)變形時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。對(duì)于在壓力容器行業(yè)中通常使用的材料，規(guī)定以殘余伸長(zhǎng)率 0． 2％時(shí)的應(yīng)力作為決定材料許用應(yīng)力時(shí) 的屈服點(diǎn)． GB 228 中給出了試驗(yàn)方江蘇工業(yè)學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁(yè) ,共 58 頁(yè) 法。工程上常用屈強(qiáng)比，／ bs ??/ 作為壓力容器用鋼安全可靠性的參考指標(biāo)。對(duì)于依據(jù)彈性準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的壓力容器元件，它表示承載能力的裕度。 bs ??/ ＝ 1 時(shí)，屬極端情況，這時(shí)任伺微小的超載都會(huì)導(dǎo)致元件的失效斷裂，因而不能用來(lái)制造壓力容器．當(dāng) bs ??/小于 時(shí)。雖然超載能力大，安全可靠性增大，但鋼材的利用率降低。 相同規(guī)格的球罐，選用較高級(jí)別的材料，球殼板厚度就較薄，球殼 重量就較輕，但較高級(jí)別的材料單價(jià)高，成形、組焊難度也高，焊接性能較差，故選用何種級(jí)別的材料應(yīng)根據(jù)球罐的容器大小、儲(chǔ)存物料的性質(zhì)、球殼板的厚度等幾個(gè)方面綜合考慮。 韌性指標(biāo) 韌性是保證材料避免產(chǎn)生裂紋，防止快速斷裂的重要指標(biāo)，對(duì)球罐來(lái)講，顯得尤為重要。韌性指標(biāo)很多，有考慮 “轉(zhuǎn)折溫度 ”的 V 形缺口沖擊實(shí)驗(yàn)、落錘實(shí)驗(yàn)（ NDT 溫度）、管板拉伸實(shí)驗(yàn)，有考慮 “斷裂韌性 ”的 COD 及 K1c 等。由于韌性指標(biāo)繁多，相互因?qū)嶒?yàn)方法不同而不能統(tǒng)一，但世界上各國(guó)從實(shí)用上將各種韌性指標(biāo)與 V 形缺口沖擊實(shí)驗(yàn)的吸收能量相聯(lián)系 ，以期達(dá)到簡(jiǎn)單方便的目的。球罐從安全性考慮，應(yīng)有較高的韌性?xún)?chǔ)備。 塑性指標(biāo) 球罐在成形加工進(jìn)程中必須經(jīng)受各種變形，鋼材良好的塑性是保證球殼板制造的前提條件，應(yīng)具有一定的塑性，即要求有一定的伸長(zhǎng)率（ ? ）和斷面收縮率（ ? ）。 可焊性 鋼材的可焊性指標(biāo)有一下幾種。 （ 1） 碳當(dāng)量 egC 國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（ Ⅱ W）推薦用于低合金結(jié)構(gòu)鋼的碳當(dāng)量計(jì)算公式： ? ?%144540246 VMoCrNiSiMnCCeg ??????? 一般要求抗拉強(qiáng)度為 610MPa 級(jí)的低合金高強(qiáng)度鋼的 egC 控制在小于等于。 （ 2） 裂紋敏感性指數(shù) CP 碳當(dāng)量與焊縫熱影響區(qū)硬度有一定的關(guān)系，但大量研究結(jié)構(gòu)指出，以此來(lái)判斷裂紋出現(xiàn)的可能性不夠全面，因而采用考慮拘束度（材料厚度）和開(kāi)裂性（焊縫中的含氫量）的裂紋敏感性指數(shù) CP 。 ? ?%60600510152060202030CPc HBVMoCrNiCuMnSi ??????????? ? 式中： mm—鋼板厚度，—? gmLH 1 0 0—焊縫中含氫量，— 。 在 ? 的情況下裂紋發(fā)生概率很大，而 ? 則裂紋發(fā)生概率較?。ㄟ€應(yīng)考慮預(yù)熱影響）。由于 Pc 尚可得出 Y 形坡口拘束試驗(yàn)中防止裂紋產(chǎn)生的預(yù)熱溫度及其經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為： 江蘇工業(yè)學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁(yè) ,共 58 頁(yè) 3921440 ?? CPT 式中： T——為防止 Y 形坡口拘束試驗(yàn)產(chǎn)生裂紋的預(yù)熱溫度， ℃ （ 3） 裂 紋敏感系數(shù) cmP 裂紋敏感性指數(shù) cP 包括了板厚與焊縫金屬中擴(kuò)散氫量?jī)身?xiàng)，與材料的關(guān)系不大，因而在考慮板材焊接裂紋時(shí)略去了該兩項(xiàng)，該兩項(xiàng)取消后引出了裂紋敏感性系數(shù) cmP 。 cmP實(shí)際上也是一種碳當(dāng)量計(jì)算式，特別適用于屈服點(diǎn)大于 390MPa 級(jí)的高強(qiáng)度鋼。 ? ?%510152060202030CPc BVMoCrNiCuMnSi ????????? 耐腐蝕性能 儲(chǔ)存物料 對(duì)球罐造成的腐蝕破壞是非常嚴(yán)重的，腐蝕會(huì)使球罐表面受到破壞，產(chǎn)生 腐蝕坑、溝槽甚至裂紋，有的甚至腐蝕到金屬內(nèi)部并改變其組織，使鋼材的力學(xué)性能惡化，嚴(yán)重的可能使球罐因腐蝕而失效，甚至釀成重大事故。造成腐蝕的原因有多種，因而腐蝕類(lèi)型也多種多樣，如一般腐蝕、晶間腐蝕、點(diǎn)蝕、堿脆、應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞等。應(yīng)當(dāng)注意，近年來(lái) SH2 應(yīng)力腐蝕已成為球罐腐蝕破壞的主要形式，所以，從選材上一定要考慮耐腐蝕的問(wèn)題，物料中如含有 SH2 ，應(yīng)盡可能選擇強(qiáng)度級(jí) 別比較低的鋼材。 經(jīng)濟(jì)性 對(duì)球罐用鋼提出了各種特殊要求，必將會(huì)在經(jīng)濟(jì)上增加成本。球罐用鋼材的價(jià)格在 整個(gè)球罐投資中占的比例較大，故在球罐選材上，經(jīng)濟(jì)性是必須重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。 選材 球罐材料不僅按其儲(chǔ)存物料的性質(zhì)．壓力，溫度等因素選定具有足夠強(qiáng)度的材料，而且還應(yīng)考慮到所選材料應(yīng)具有良好的焊接性能和加工性能，同時(shí)還應(yīng)考慮材料的供給可靠性及經(jīng)濟(jì)性等。目前，我國(guó)球罐用鋼品種還較小，按 GB 12337 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，主要有20R、 16MnR、 15MnNbR、 07MnCrMoVR、 16MnDR、 09MnNiDR 7 個(gè)鋼號(hào)。 鋼材 球罐用鋼板國(guó)外有兩條選材原則，歐洲國(guó)家廣泛采用屈服極限 294441MPa 級(jí)的中強(qiáng)鋼。屬于 MnSi、 MnV， MnNb 和 MnNiv 系鋼，厚度不加控制。 在國(guó)內(nèi)，隨著我國(guó)球罐高參數(shù)化（大容量，高壓力） 的發(fā)展，對(duì)材料強(qiáng)度級(jí)別和沖擊韌性的要求不斷提高。球罐受壓元件所采用的材料必須符合 GB150 1998《鋼制壓力容器》、 HG205811998 《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》以及 HG20585 1998《鋼制低溫壓力容器技術(shù)規(guī)定》的要求。非受壓元件所用材 料必須是列入國(guó)標(biāo)和冶標(biāo)的材料。 鑒于現(xiàn)在對(duì)球罐安全性能的要求，現(xiàn)階段我國(guó)常用的材料有： 20R， 16MnR，15MnVR， 15MnVNbR， SPV355， CF62， 07MnCrMoVR 等。 下面有幾種材料的對(duì)比表 ： 江蘇工業(yè)學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁(yè) ,共 58 頁(yè) 表 材料對(duì)比表 鋼號(hào) 交貨狀 態(tài) 板厚 mm MPas? MPab? %s? JAKv 16MnR 熱軋或 正火 36—60 305 470 21? ? ?橫向℃2031? SPV355 熱軋或 控軋 36—60 355 520 18? ? ?縱向℃047? CF62 調(diào)制 20—50 490 610 27? ? ?縱向℃1527? 15MnNbR 正火 16—36 36—60 360 350 530—630 520—620 20? ? ?縱向℃2034? 焊接材料 鑒于球罐是在安裝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行焊接組裝，現(xiàn)階段以氣體保護(hù)焊居多，焊接材料的選用應(yīng)嚴(yán)格按照 GBl2337 對(duì)氣體保護(hù)自動(dòng)焊焊絲的規(guī)定。 殼體用鋼 表 力學(xué)性能及工藝性能 鋼號(hào) 標(biāo)準(zhǔn)號(hào) 交貨狀態(tài) 鋼板厚度 /mm 抗拉強(qiáng)度 MPab /? 屈服點(diǎn) MPas /? 伸長(zhǎng)率 MPas /? 沖擊功 MPas /? 冷彎 a2b? 180186。 不 小 于 16MnR GB6654 1996 熱軋控軋或正火 6—16 510—640 345 21 31 d=2a 16—36 490—620 325 d=3a 36—60 470—600 305 60—600 460—590 285 20 100—120 450—580 275 表 使用性能 鋼 號(hào) 鋼板 標(biāo)準(zhǔn) 使 用狀態(tài) 厚度 常溫強(qiáng)度 在下列溫度下的許用應(yīng) 力 江蘇工業(yè)學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè) ,共 58 頁(yè) b? MPa s? MPa 20 100 150 200 16MnR GB6654 正火 616 510 345 170 170 170 156 1636 490 325 163 163 163 156 3660 470 305 157 157 156 147 60100 460 285 150 150 147 138 100120 450 275 150 147 138 128 綜上所述，本課題選用 16MnR 鋼，它是我國(guó) 球罐 和壓力容器的基礎(chǔ)鋼種，它發(fā)展最早，最成熟穩(wěn)定，產(chǎn)量也最大，屬 345MPa 及的低合金鋼。它生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，綜合的力學(xué)性能，冷熱成型性和焊接性能都很好，時(shí)效脆化敏感性不高，處于世界領(lǐng)先水平。 鍛件用鋼 球罐的人孔、接管往往采用鍛件。人孔結(jié)構(gòu)采用鍛件可避免補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。接管采用鍛件，增大自身補(bǔ)強(qiáng)，達(dá)到減少應(yīng)力突變的目的。人孔鍛件級(jí)別不應(yīng)低于 Ⅲ 級(jí)。人孔鍛件材料選用時(shí)，必須考慮其力學(xué)性能不低 干球殼板材料的力學(xué)性能，且可焊性良好，經(jīng)消除應(yīng)力退火后，強(qiáng)度和韌性沒(méi)有明顯下降。鍛件采用 16MnⅢ 。 4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 概況 球形儲(chǔ)罐（簡(jiǎn)稱(chēng)球罐）是一種儲(chǔ)存氣體、液體或液化氣體的球形壓力容器。由于它具有其他型式的儲(chǔ)罐無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因而被石油、化工、城鎮(zhèn)燃?xì)狻⒁苯鸬裙I(yè)領(lǐng)域和其他行業(yè)廣泛運(yùn)用。 按 GBl2337《鋼制球形儲(chǔ)罐》規(guī)定，球罐和支柱各部分名稱(chēng)如圖 3—1 和圖 3—2 所示： 江蘇工業(yè)學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁(yè) ,共 58 頁(yè) 圖 球罐各部分名稱(chēng) 球罐的分類(lèi) （ 1）按形狀分為圓球形和橢球形。 （ 2）按殼體層數(shù)分為單層殼體和雙層殼體。 （ 3）按球殼的組合方式分為純橘瓣式、純足球瓣式和足球橘瓣混合式 （ 4）按支承結(jié)構(gòu)分為柱式支承和裙式支承。 球罐的構(gòu)造 球罐由本體、支柱（承）及附件組成。 （ 1）球罐本體。球殼有環(huán)帶式（橘瓣式）、足示瓣式、混合式等結(jié)構(gòu)形式。 （ 2）球罐支柱（承）有柱式及裙式兩種結(jié)構(gòu)。 （ 3）球罐的附件有梯子平臺(tái)、人孔和接管、水噴淋裝置、隔熱和保冷設(shè)施、液面計(jì)、壓力表。 江蘇工業(yè)學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁(yè) ,共 58 頁(yè) 圖 支柱各 部分名稱(chēng) 橘瓣式球罐的球殼劃分就像橘瓣，是一種最通用的形式。優(yōu)點(diǎn)是焊縫布置簡(jiǎn)單，組裝容易，球殼板制造簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是材料利用率低，焊縫較長(zhǎng)。 對(duì)球罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)包括以下幾點(diǎn)要求： （ 1）根據(jù)工藝參數(shù)的要求確定球罐結(jié)構(gòu)的類(lèi)型及幾何尺 （ 2）確定球殼的分帶和分片的型式 （ 3）確定各球殼板的幾何尺寸 （ 4）支撐型式的確定 （ 5）人孔和接管的選定和布置 （ 6）球罐各附件的設(shè)置（包括安全閥的計(jì)算）等 球殼的設(shè)計(jì) 球殼是球罐的主體，它是儲(chǔ)存物料和承受物料工作壓 力和液柱壓力的構(gòu)件。 各種球罐的特點(diǎn) 球殼的具體的分帶和分塊數(shù)量參照 GB／ T17261。 （ 1）橘瓣式見(jiàn)圖 和圖 （ 2）混合式見(jiàn)圖 和圖 江蘇工業(yè)學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁(yè) ,共 58 頁(yè) 圖 四帶球罐 圖 五帶球罐 圖 三帶球罐 圖 四帶球罐 橘瓣式球殼的設(shè)計(jì) 純橘